Внутрирезонаторные элементы лазеров
Общее описание функций внутрирезонаторных элементов
Резонатор лазера не является пассивной структурой, отражающей свет между двумя зеркалами. В действительности, внутрирезонаторное пространство может содержать разнообразные активные и пассивные компоненты, которые существенно влияют на характеристики излучения, устойчивость генерации, длительность импульсов, спектральную ширину, модовую структуру и другие параметры лазерного излучения.
Внутрирезонаторные элементы подразделяются на несколько категорий в зависимости от их назначения: элементы пространственной и спектральной селекции, фазовые элементы, элементы модуляции добротности, нелинейные среды, компенсационные и управляющие элементы.
Элементы пространственной селекции
Пространственная селекция направлена на формирование и стабилизацию поперечного модового состава лазерного пучка. Основными компонентами являются:
Диафрагмы и апертуры Монтируются в местах с фокусировкой пучка. Позволяют отфильтровывать высокопорядковые моды, обеспечивая генерацию преимущественно в фундаментальной моде TEM₀₀. Установка таких элементов приводит к сужению поперечного распределения энергии и улучшению направленности излучения.
Пин-хол (pin-hole) Микроапертура, расположенная в фокальной плоскости телецентрической оптической системы внутри резонатора. Применяется в режимах самофокусировки и стабилизации мод.
Тонкие фазовые пластины Используются для формирования заданного профиля волнового фронта. Позволяют контролировать фазовые и амплитудные характеристики внутри резонатора.
Элементы спектральной селекции
Для генерации на определённой длине волны или в узком спектральном диапазоне используются внутрирезонаторные спектральные фильтры:
Интерферометр Фабри-Перо Тонкоплёночный фильтр, вставленный под углом к оптической оси, действует как селективный элемент, пропускающий только определённые длины волн. Повышает спектральную чистоту и уменьшает ширину линии излучения.
Диспергирующие призмы и решётки Используются в сочетании с частично прозрачным зеркалом или апертурой. Расположенные под углом элементы позволяют реализовать обратную связь только для определённых длин волн. Особенно эффективно в титан-сапфировых и других широкодиапазонных лазерах.
Литровские зеркала (Gires–Tournois interferometer) Высокоотражающие многослойные структуры, обеспечивающие управление фазой и частотой, в том числе для компенсации дисперсии.
Элементы модуляции добротности (Q-switching)
Добротность резонатора определяет время накопления энергии в активной среде перед её резким высвобождением в виде мощного импульса. Элементы модуляции добротности классифицируются следующим образом:
Электрооптические модуляторы (Pockels-клетки) При подаче напряжения изменяется показатель преломления кристалла, что приводит к изменению условий интерференции и, как следствие, добротности. Позволяют работать в активном режиме модуляции.
Акустооптические модуляторы Основаны на взаимодействии света с акустической волной в кристалле. Обеспечивают модуляцию потока излучения с высокими скоростями и точным управлением.
Пассивные модульторы (насыщаемые поглотители) Автоматически изменяют поглощение в зависимости от интенсивности излучения. Включают органические красители, кристаллы Cr:YAG, полупроводниковые структуры. Наиболее применимы в компактных и волоконных лазерах.
Нелинейные внутрирезонаторные элементы
Нелинейные среды, включённые в резонатор, позволяют реализовывать важные процессы:
Вторичная гармоника (удвоение частоты) Использование нелинейных кристаллов (например, KTP, BBO, LBO) в высокоинтенсивной зоне резонатора позволяет эффективно генерировать вторую гармонику. Внутрирезонаторное удвоение обеспечивает более высокую эффективность, чем внешнее.
Параметрическая генерация Реализуется в синхронно накачиваемых оптических параметрических осцилляторах (OPO). Нелинейные кристаллы преобразуют фотон накачки в пару фотонов меньшей энергии (сигнальный и холостой), соответствующих различным длинам волн.
Самофокусировка и автоколлимация Эффекты Kerr’овской нелинейности в средах с сильной интенсивностью приводят к изменению показателя преломления, зависящего от интенсивности. Внутрирезонаторное усиление этих эффектов используется в лазерах с режимом самофокусировки или самофазовой модуляции.
Компенсация дисперсии и управление фазой
При генерации сверхкоротких импульсов важным аспектом является управление хроматической дисперсией и фазой внутри резонатора:
Дисперсионные зеркала Специально разработанные многослойные зеркала с заданным групповым временным запаздыванием (GDD) компенсируют дисперсию, возникающую в других элементах резонатора.
Призменные пары Позволяют управлять дисперсией второго и третьего порядков, обеспечивая компенсацию разности фазовых скоростей различных частотных компонентов.
Сфокусированные фазовые элементы Используются для тонкой настройки фазового фронта и подавления спонтанных колебаний, в частности, в фемтосекундных лазерах.
Поляризационные элементы
Контроль поляризации излучения позволяет реализовывать устойчивую работу в одном поляризационном состоянии, а также использовать поляризационные зависимости в других элементах:
Поляризаторы и анализаторы Внутрирезонаторное размещение поляризаторов используется для обеспечения линейной или круговой поляризации.
λ/4 и λ/2 пластины Изменяют состояние поляризации, управляя взаимодействием с другими анизотропными элементами, такими как Pockels-клетки или двулучепреломляющие кристаллы.
Брюстеровские окна Оптические окна, установленные под углом Брюстера, обеспечивают минимальные потери для одной из компонент поляризации. Часто используются в газовых лазерах и при усилении поляризационной селективности.
Теплоотводящие и компенсационные компоненты
В реальных условиях внутрирезонаторные элементы должны быть термостабилизированы. Перегрев может приводить к деформации оптических поверхностей, изменению фазовых характеристик и нестабильности генерации. Важными компонентами являются:
Охлаждаемые держатели кристаллов Для активных и нелинейных кристаллов с высоким тепловыделением.
Термостатируемые ячейки Поддерживают стабильную температуру в красителях или жидкостях.
Компенсирующие пластины Используются для устранения аберраций и нежелательных фазовых искажений, вызванных тепловыми градиентами.
Заключительные замечания о роли внутрирезонаторных компонентов
Каждый внутрирезонаторный элемент вносит вклад в формирование конкретных характеристик лазера: от стабильности излучения и эффективности генерации до спектральной и пространственной структуры пучка. Комплексная оптимизация внутрирезонаторной архитектуры позволяет достигать высоких значений добротности, длительности импульсов в фемтосекундном и аттосекундном диапазонах, а также управлять нелинейными процессами и многоканальной генерацией.